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\lhead{\parpic{\includegraphics[height=1zw,keepaspectratio,bb=0 0 251 246]{images/emblem-bitmap.pdf}}琉球大学主催 工学部情報工学科 中間発表予稿}
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\begin{document}
\title{分散フレームワークAliceのPC画面配信システムへの応用}
\author{125769C 氏名 {照屋}{のぞみ} 指導教員 : 河野真治}
\date{}
\maketitle
\thispagestyle{fancy} 

\section{研究目的}
当研究室ではデータをData Segment、タスクをCode Segmentという単位で分割して記述する分散フレームワークAliceの開発を行っている。
本研究では、 Alice上に実用的なアプリケーションである画面共有システムTreeVNC\cite{1}を構築する。構築するにあたり必要となった転送・圧縮などの機能を AliceのMeta Computation として実装する。そしてAliceを使用していないTreeVNCとの比較を行うことでMetaComputationの役割と有効性を示す。

\section{分散フレームワーク Alice の概要}
AliceはデータをData Segment（以下DS）、タスクをとCode Segment（以下CS）という単位に分割してプログラミングを行う。
DSはAliceが内部にもつデータベースによって管理されている。DSに対応する一意のkeyが設定されており、そのkeyを用いてデータベースを操作する。

CSは実行に必要なDSが揃うと実行されるという性質を持ち、入力されたDSに応じた結果が出力される。
CSを実行するために必要な入力DSはInputDS、CSが計算を行った後に出力されるDSはOutput DSと呼ばれる。データの依存関係にないCSは並列実行が可能である。（図\ref{fig:CS}）
実際にはAliceはJavaで実装されており、DSはJavaObjectでCSはRannableThreadである。

\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
\includegraphics[width=70mm]{images/dsandcs2.pdf}
\end{center}
\caption{CodeSegmentの依存関係 }
\label{fig:CS}
\end{figure}

\subsection*{[Data Segment]}
Aliceはデータを分割して記述する。その分割されたデータをDSと呼ぶ。
実際には整数や文字列などの基本的なデータの集まりのことを指し、Aliceの場合はJavaオブジェクトに対応する。
CSの実行においてDSは占有されるため、Aliceではデータが他から変更され整合性がとれなくなることはない。


\subsection*{[Data Segment Manager]}
DSは実際にはqueueに保存される。queueには対になるkeyが存在し、keyの数だけqueueが存在する。
このkeyを指定してDSの保存、取得を行う。queueの集合体はデータベースとして捉えられる。このデータベースをAliceではDS Manager（以下DSM）と呼ぶ。DSMにはLocal DSMとRemote DSMが存在する。Local DSMは各ノード固有のデータベースである。Remote DSMは他のノードのLocal DSMのproxyであり、接続しているノードの数だけ存在する。（図\ref{fig:RemoteDSM}）Remote DSMに対して書き込むと対応するノードのLocal DSMに書き込まれる。

\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
\includegraphics[width=70mm]{images/remote_datasegment.pdf}
\end{center}
\caption{Remote DSMは他のノードのLocal DSMのproxy }
\label{fig:RemoteDSM}
\end{figure}

\subsection*{[ComputationとMeta Computation]}
Aliceでは、計算の本質的な処理をComputation、Computationとは直接関係ないが別のレベルでそれを支える処理をMeta Computationとして分けて考える。
Alice の Computationは、keyによりDSを待ち合わせ、DSが揃ったCSを並列に実行する処理と捉えられる。
それに対して、Alice の Meta Computation は、Remoteノードとの通信時のトポロジーの構成や切断・再接続の処理と言える。つまりトポロジーの構成はAliceのComputationを支えているComputationとみなすことができる。

プログラマーはCSを記述する際にトポロジーや切断、再接続という状況を予め想定した処理にする必要はない。プログラマーは目的の処理だけ記述する。そして、切断や再接続が起こった場合の処理を記述しMeta Computationで指定する。このようにプログラムすることで、通常処理と例外処理を分離することができるため、シンプルなプログラムを記述できる。
Aliceの機能を追加するということは Meta Computation を追加すると言い換えられる。

\section{AliceVNC}
当研究室では授業向け画面共有システムTreeVNCの開発を行っている。
授業でVNCを使う場合、１つのコンピュータに多人数が同時につながるため、性能が大幅に落ちてしまう。
この問題をノード同士を接続させ、木構造を構成することで負荷分散を行い解決したものがTreeVNCである。
Aliceが実用的なアプリケーションを記述する能力をもつことを確認するために、TreeVNCをAliceを用いて実装したAliceVNCの作成を行った。

\section{Alice の新機能}
実用的なアプリケーションである TreeVNC を Alice 上で実装することで、Alice に必要な機能を洗い出した。
\subsection*{[flip機能]}
Data Segment APIを用いると、Output DSが毎回新しく作成され、出力するデータのコピーが行われる。しかし、Input DSとして取得したデータをそのまま子ノードにOutput Data Segmentとして出力する場合、コピーを行なうのは無駄である。
そこで、Input DSとOutput DSにそのまま転送する機能をflip機能として実装することで、コピーのオーバーヘッドを減らした。TreeVNCでは親ノードから受け取った画面データをそのまま子ノードに配信するため、Meta Computationとしてflip機能が有用である。

\subsection*{[Data Segmentの表現の追加（圧縮機能）]}
TreeVNCでは画面配信の際、データを圧縮してノード間通信を行っている。
そのため、AliceVNCにも圧縮されたデータ形式を扱える機能が必要だと考えた。
しかし、ただデータを圧縮する機構を追加すればいいわけではない。

AliceVNCでは、ノードは受け取った画面データを描画すると同時に、子ノードのRemote DS Managerに送信する。
ノードはDSを受信するとそれを一度解凍して画面を表示し、再圧縮して子ノードに送信する。
しかし、受け取ったデータを自分の子ノードに対して送信する際には、解凍する必要はない。
圧縮状態のまま子ノードに送信ができれば、解凍・再圧縮するオーバーヘッドを無くすことができる。

そこで、１つのData Segmentに対し複数の表現を持たせることで、必要に応じた形式でDSを扱うことを可能にした。
DSを扱うクラスに、次の3種類の表現を同時に持つことができる。

\begin{enumerate}
  \item 一般的なJavaのクラスオブジェクト
  \item MessagePack for Java\cite{2}でシリアライズ化されたバイナリオブジェクト
  \item 2を圧縮したバイナリオブジェクト
\end{enumerate}
1はLocalDSMにDSを保存する場合に用いる。また、圧縮せずにRemoteDSMにDSを保存する場合は2のMessagePack形式で送られる。そしてLocal, Remote に対しDSを圧縮して保存する場合は3を用いる。

さらに、圧縮状態を持つDSを扱うDSMとしてLocalとRemoteそれぞれにCompressed Data Segment Managerの追加した。Compressed DSMの内部では、DSが呼ばれた際に圧縮表現を持っていればそれを使用し、持っていなければその時点で圧縮表現を作って操作を行う。
これによりユーザは指定するDSMを変えるだけで、他の計算部分を変えずに圧縮表現を持つDSを扱うことができる。ノードは圧縮されたDSを受け取った後、そのまま子ノードにflipすれば圧縮状態のまま送信されるので、送信の際の再圧縮がなくなる。

しかし、データの表現に圧縮したbyteArrayを追加したため、Remoteから受け取ったbyteArrayのDSが圧縮されているのかそうでないのかを判断する必要がある。
そこで、Aliceの通信におけるヘッダにあたるCommandMessage.classにシリアライズ状態表すフラグと、圧縮状態を表すフラグを追加した。
これによってputされたDSMはフラグに応じた適切な形式でReceiveData.class内にDSを格納できる。

\section{今後の課題}
AliceVNCとTreeVNCを比較することにより実装したMeta Computationの有効性を示す必要がある。
また、TreeVNCでは複雑な記述になってしまったNAT越えの機能を提供できると期待される。


\begin{thebibliography}{9}

\bibitem{1}
{MIWA OSHIRO, and Shinji KONO}:授業やゼミ向け画面配信システムTreeVNCの拡張機能，琉球大学工学部情報工学科平成26年度学位論文(学士) (2014).

\bibitem{2}
http://msgpack.org/

\bibitem{3}
{Yu SUGIMOTO and Shinji KONO}: 分散フレームワークAlice上のMeta Computationと応用，琉球大学工学部情報工学科平成26年度学位論文(修士) (2014).

\end{thebibliography}
\end{document}